SnS薄片的各向异性拉曼光谱和SnS/SnS2异质结的光电特性

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近年来,IV-VI族二维材料(IV族:Sn、Ge;IV族:S、Se、Te)作为继过渡金属硫属化合物(TMD)之后二维家庭的新成员,具有结构多样、吸光能力强、光电特性优异、地球储量丰富、无毒环保等优点,受到科研人员越来越多的关注。这类材料中,最具代表性的是SnS和SnS2。SnS为p-型二维半导体,结构属于正交晶系,其光吸收系数大(~105cm-1),空穴迁移率高(~100cm2V-1S-1),具有很强的各向异性电学、光学和热电性质;SnS2为n-型二维半导体,结构属于六方晶系,其迁移率可达~230 cm2V-1s-1,同时具有优异的光电探测性能。虽然针对SnS和SnS2的研究工作已经不少,但是高质量少层SnS和SnS2材料的可控制备方法依然缺乏;SnS薄片各向异性的研究仍不系统,其厚度依赖关系仍不明确;更重要的是,虽然SnS和SnS2分别为p和n型半导体,但由于属于不同的晶格结构,直接生长制备基于SnS和SnS2组成的异质结仍是一个很大的挑战。在此背景下,本论文针对SnS和SnS2的生长制备、SnS的各向异性拉曼光谱、SnS2/SnS异质结的制备及其光电性质,开展了较为系统的研究,主要内容概述如下:在第一章中,我们首先介绍了 Ⅳ-Ⅵ族二维材料的概况和发展过程。随后,我们对SnS的各向异性电学和Raman性质进行了系统的介绍,并且对SnS和SnS2的结构性质、制备方法和器件应用等进行了阐述。最后,我们简述了本论文的研究的动机和内容。在第二章中,我们系统研究了 SnS薄片各向异性拉曼光谱随厚度的变化。我们采用物理气相沉积的方法,成功制备了不同厚度的SnS薄片,并结合AFM和TEM表征,证实了 SnS的单晶结构和良好的表面形貌。在此基础上我们通过角度分辨的Raman光谱,研究了 SnS的各向异性和厚度依赖的拉曼光谱性质。结果发现:B3g和Ag模式都存在各向异性,但是展现完全不同的各向异性厚度依赖关系。具体地,B3g模式的各向异性不随厚度发生变化,而Ag(192.0cm-1)模式却有显著的厚度依赖特性。在514 nm激发下和平行配置时,随着厚度的减小,Ag峰的强度最大值从armchair方向变换到zigzag方向,这一结果可以用SnS吸收导致的复数Raman张量元来解释;在垂直配置时,Ag峰的强度沿着45°(225°)和135°(315°)方向呈现出不同的大小。在第三章中,我们采用SnS和S作为前驱物,利用二者蒸汽浓度的相对大小实现SnS和SnS2生长的切换,成功用一步CVD方法生长出了 SnS2/SnS异质结。Raman、AFM、TEM表征都表明,异质结是由塔状的SnS2(六方晶系)生长在菱形的SnS(正交晶系)表面形成,我们提出了一种可能的生长机理并对其进行分析讨论。基于生长出来的高质量SnS2/SnS异质结,经过三步的电子束光刻(EBL)和溅射镀膜的工艺,我们成功制备了异质结电极器件,经过测试研究发现SnS2/SnS异质结呈现优异的光电响应性能:光响应度可达27.7 A/W,并实现了 2.2×103的开关比和2.1×1010 Jones的比探测率。在第四章中,我们通过不同的条件来调控硫锡化合物的CVD生长。我们设计了衬底高温和预先制备成核点的策略,成功制备出尺寸超过150 μm的SnS2薄片;发展了一种制备SnS2薄片光电探测器件的方法,器件比探测率可以达到2.0×1010Jones。我们借助提高衬底温度和滴加CuPC辅助成核,实现了高结晶质量的p型Sn2S3纳米线的可控制备。此外,我们还通过在SnS生长过程中升高衬底温度和通入H2两种策略,实现了 SnS在红外波段的发光。经过表征,我们发现SnS荧光性质的改变与相应的Raman峰位红移紧密相关。在第五章中,我们对SnS和SnS2二维材料未来可开展的工作进行了展望,并给出了相应的建议。
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